Из истории гидрологии (стр. 4 )

Формирование речных наносов

Речными наносами называются твердые минеральные частицы, пере-носимые потоком и формирующие русловые и пойменные отложения. Реч-ные наносы образуются из продуктов выветривания, денудации и эрозии горных пород и почв. Водная эрозия, разрушение земной поверхности под действием текучих вод, представляет собой наиболее активный процесс, обогащающий реки наносами. Она подразделяется на склоновую и русло-вую. Склоновая эрозия — размыв и смыв почв и горных пород снеговыми и дождевыми водами, стекающими по склону. Русловая эрозия — размыв водными потоками, протекающими в руслах, коренных пород дна и берегов русла и склонов долин. В процессе склоновой эрозии текущая вода разру-шает связность частиц почв и горных пород и смывает (сносит) их в пони-жения — ложбины стока, которые и являются основными путями выноса продуктов эрозии с водосбора. Вместе со снеговыми и дождевыми водами материал смыва с водосбора поступает в следующие за ложбинами звенья временно действующей гидрографической сети — лощины, суходолы. В них процессы эрозии усиливаются и также осуществляется размыв, перенос и в конечном итоге вынос продуктов размыва в реки.

Очевидно, что не все продукты эрозии попадают в реки. Значительная часть их задерживается по пути стока поверхностных вод и заполняет уг-лубления земной поверхности. Тем не менее, та часть продуктов эрозии по-верхности бассейна, которая достигает русел рек, является существенным источником формирования речных наносов.

Воды рек размывают берега и дно русла. Однако наносы, поступаю-щие за счет этих процессов, являются лишь частью речных наносов, причем некоторая доля их представляет собой продукты размыва ранее отложив-шихся в русле наносов, принесенных с поверхности бассейна.

Интенсивность водной эрозии зависит, прежде всего, от энергии теку-чих вод и затем от сопротивляемости размыву поверхности, по которой сте-кают эти воды.

Энергия текучих вод на некотором участке, как известно, определяет-ся их расходом и падением. Вот почему водная эрозия при одних и тех же величинах стока наиболее ярко выражена в горных районах и значительно слабее на равнинах. Большое значение в развитии эрозии имеет режим сто-ка: с увеличением стока в определенные сезоны происходит усиление эро-зии.

Сопротивляемость поверхности земли размыву зависит от природных свойств этой поверхности и, прежде всего от свойств почв и пород, а также растительного покрова, предохраняющего почву от размыва. Различные ви-ды почв и грунтов обладают неодинаковой способностью к размыву.

Уничтожение растительного покрова (вырубки, неумеренный выпас скота, пожары), неправильная распашка поверхности (вдоль склонов) и об-работка почв без соблюдения агротехнических правил, предусматривающих сохранение структурности почв, могут привести к усилению эрозии, мест-ному смыву почв, возникновению овражной эрозии и в конечном итоге к увеличению мутности рек.

В последние десятилетия в зоне распространения черноземов и каш-тановых почв в результате применения более совершенных приемов обра-ботки почвы, в основном за счет широкого применения зяблевой пахоты, смыв почвы на плакорных участках заметно уменьшился.

Таким образом, интенсивность эрозии и формирование речных нано-сов находятся под влиянием ряда физико-географических факторов и хозяй-ственной деятельности. Одни из этих факторов зональные, другие — азо-нальные. К зональным относятся климатические условия, сток, характер и распространение почв и растительности, к азональным — рельеф местности и распространение коренных пород и четвертичных отложений.

Основные определения и характеристики речных наносов

Речные наносы в зависимости от характера движения в потоке обычно подразделяют на взвешенные и влекомые. Такое подразделение наносов но-сит условный характер, так как в зависимости от крупности наносов и ско-ростей течения потока те или иные твердые частицы могут находиться то во взвешенном состоянии, то перемещаться по дну потока.

Наносы, подразделяют, кроме того, на транзитные и руслоформирую-щие. Малые частицы переносятся к устью реки по преимуществу транзитом. Более крупные частицы в зависимости от гидравлических свойств потока то переносятся потоком во взвешенном или влекомом состоянии, то задержи-ваются на отдельных участках реки, с тем чтобы при изменении гидравли-ческих свойств потока вновь перейти в движение. Таким образом, постоян-но происходит переформирование русла. Очевидно, что большая часть взве-шенных наносов является транзитной, а большая часть влекомых — русло-формирующей.

Количество наносов (в килограммах), проносимое рекой через попе-речное сечение в единицу времени (Т секунд), называется расходом наносов. Обычно расход взвешенных наносов обозначается R кг/с, расход влекомых наносов q кг/с.

Суммарное количество наносов, проносимое рекой через поперечное сечение за некоторый промежуток времени (сутки, месяц, год), называется стоком наносов за этот промежуток времени и выражается обычно в тоннах. Модулем стока наносов называют сток наносов с 1 км2 за год. Очевидно, ес-ли средний расход взвешенных наносов за время Т суток равен R кг/с, то

Модуль стока наносов

где F — площадь водосбора до замыкающего створа в км2, R — средний го-довой расход взвешенных наносов.

Количество взвешенных наносов, содержащееся в единице объема (1 м3) воды, называется мутностью (). Мутность выражается в г/м3. Таким об-разом,

Важной характеристикой наносов является их гранулометрический состав, т. е. распределение наносов по фракциям: от валунов и гальки до илистых и глинистых частиц. Средняя крупность наносов dcp характеризует-ся средним взвешенным диаметром частиц, вычисляемым по формуле

где dср — средний диаметр данной фракции; PI — процентное содержание (по весу) этой фракции.

Распределение мутности по живому сечению реки

Мутность речных вод значительно меняется по живому сечению пото-ка, по его длине и во времени. Распределение мутности по живому сечению носит очень сложный и нередко в значительной мере беспорядочный харак-тер. Как правило, мутность возрастает от поверхности ко дну. Это увеличе-ние мутности происходит главным образом за счет крупных фракций нано-сов, увеличивающихся ко дну. Мелкие же фракции (менее 0,01 мм) обычно распределяются довольно равномерно по глубине потока. По этой причине, чем больше в составе наносов крупных фракций, тем неравномернее они распределены по глубине. С увеличением турбулентности потока распреде-ление взвешенных наносов по вертикали становится более равномерным. Сказанное справедливо только как самая общая схема. В реальной же дейст-вительности дело обстоит много сложнее, так как эта схема нарушается под влиянием возникающих водоворотов и циркуляционных течений.

Еще более сложный характер носит распределение наносов по ширине реки. Здесь вообще трудно подметить сколько-нибудь отчетливо выражен-ную закономерность. Распределение наносов по ширине потока сильно ме-няется в зависимости от направления течения, местных размывов русла и берегов, впадения притоков, несущих большее или меньшее количество на-носов, чем главная река. Наблюдения показали, что в ряде случаев наносы проносятся в потоке в виде отдельных движущихся скоплений — «жил».

ПИТАНИЕ РЕК

(по )

Источники питания рек

Основной источник питания всех рек на земном шаре — атмосферные осадки. При определенных условиях часть выпадающих жидких осадков образует поверхност-ный сток и служит непосредственным источником питания рек в периоды паводков. Твердые осадки аккумулируются на поверхности земли в виде снежного покрова. На равнинах и невысоких горах накопившийся за зиму снег тает в теплое время и также служит источником питания рек. Снег, накопившийся в более высоких горах, в отдель-ные годы стаивает не весь, пополняет запасы вечных снегов и дает начало ледникам. Та-лые воды этих снегов и ледников являются еще одним источником, питания рек. Часть талых и дождевых вод просачивается в верхние слои земли и при некоторых условиях быстро дренируется реками, при этом несколько растягивается процесс стока этих вод в речную сеть. Некоторая часть талых и дождевых вод идет на пополнение запасов под-земных вод, которые значительно медленнее попадают в русла рек. Подземные воды яв-ляются также источником питания рек; они обеспечивают устойчивость речного стока. Таким образом, существуют четыре источника питания рек — жидкие осадки, снежный покров, высокогорные снега и ледники и подземные воды.

Соотношения между количеством воды, поступающим в реки от того или иного источника питания, неодинаковы в различных районах. Меняются они и от сезона к се-зону для одной и той же реки. Эти различия зависят главным образом от климатических условий: режима осадков и температуры воздуха в течение года.

Классификация рек по источникам питания

Несмотря на несовершенство методов количественной оценки роли источников питания в годовом стоке, применение этих методов дает возможность произвести гене-тический анализ водного режима рек и классифицировать их по источникам питания. Та-кая классификация для рек СССР была разработана . При количествен-ной оценке каждого источника питания — снежного покрова S, дождевых вод R и грун-товых вод U — Львович принял следующие градации: более 80, 50—80 и менее 50%. Для ледникового питания G, учитывая специфику этого источника питания предложена своя градация: более 50, 25—50 и менее 25% Если в годовом стоке рек более 80% приходится на один из первых трех источников питания, то река, по Львовичу, принадлежит к типу рек чисто снегового, дождевого или подземного питания. Если доля стока за счет одного из источников питания составляет 50—80% река относится к типу рек преимущественно снегового, дождевого или подземного питания. И наконец, при доле стока за счет одного из трех источников питания менее 50% река принадлежит к типу рек смешанного пита-ния. Отнесение реки к тому или иному типу при участии в питании ее талых вод высоко-горных снегов и ледников производится в соответствии с установленными для этого случая градациями.

РЕКИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

(по )

Река, ее притоки, речная система

Рекой называется водный поток, протекающий в естественном русле и питающий-ся за счет поверхностного и подземного стока речного бассейна.

Атмосферные осадки не сразу попадают в реки. Сток их осуществляется сначала в виде временных потоков, возникающих в период таяния или выпадения дождей. Слива-ясь вместе, они дают начало постоянным потокам — сначала ручьям, малым речкам, а затем рекам. Водность рек увеличивается притоком подземных вод, дренируемых реч-ными руслами. Реки выносят свои воды в океаны, моря или озера. Река, впадающая в один из таких водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в нее, — ее при-токами. Совокупность всех рек, сбрасывающих свои воды через главную реку в море или озеро, называется речной системой или речной сетью.

Реки, озера, болота, балки, овраги данной территории составляют гидрографиче-скую сеть этой территории. Таким образом, речная сеть есть часть гидрографической се-ти.

Различают притоки различных порядков. Реки, впадающие непосредственно в главную реку, называются притоками первого порядка, притоки этих притоков — прито-ками второго порядка и т. д. Американский гидролог Хортон предложил другую систему классификации притоков. Хортон называет рекой первого порядка или элементарной ре-кой реку, не имеющую притоков, рекой второго порядка — реку, принимающую притоки только первого порядка, и т. д. Таким образом, чем больше номер главной реки, тем бо-лее сложный характер носит речная система этой реки. В этом несомненное достоинство предлагаемой Хортоном системы.

Речная система характеризуется протяженностью рек, их извилистостью и густо-той речной сети.

Под протяженностью понимается суммарная длина всех рек, составляющих дан-ную систему. Длина рек измеряется по карте возможно более крупного масшта-ба. Извилистость реки характеризуется коэффициентом извилистости. Этот коэффициент определяется для отдельных участков реки и представляет собой отношение расстояния по прямой линии между начальным и конечным пунктами участка к длине реки на этом участке.

Густота речной сети характеризуется коэффициентом густоты, представляющим собой отношение суммарной протяженности речной сети на данной площади к величине этой площади. Коэффициент густоты речной сети выражается в км/км2. Густота речной сети зависит от ряда природных факторов: рельефа, геологического строения местности, свойств почв, климата, в особенности от количества осадков и условий их стока. Нема-ловажная роль принадлежит также историко-геоморфологическим факторам. Густота речной сети меняется в широких пределах. На севере она обычно больше, чем на юге, в горах больше, чем на равнинах. Так, например, на равнинах Предкавказья коэффициент густоты речной сети равен всего лишь 0,05 км/км2, а в наиболее орошаемых осадками районах северных склонов Главного Кавказского хребта он достигает 1,49 км/км2.

Водоразделы

Линия на земной поверхности, разделяющая сток атмосферных осадков по двум противоположно направленным склонам, называется водоразделом. Весь земной шар можно разделить на две основные покатости, по которым воды стекают с континентов в Мировой океан: Атлантическую и Тихоокеанско-Индийскую. Водораздел между этими двумя покатостями называется Мировым водоразделом. Мировой водораздел, или Глав-ный водораздел Земли, простирается от мыса Горн на крайнем юге Южной Америки по Андам и Кордильерам до Берингова пролива. На северо-востоке Евразии он вступает в пределы Азии и проходит в нашей стране по Чукотскому хребту, Анадырскому плоско-горью, горным хребтам Гыдан, Джугджур, Становому, Яблоновому, далее уходит за пре-делы СССР, проходит через Центральную Азию, пересекает северную часть Аравийского полуострова и вступает в Африку. Здесь он простирается почти в меридиональном на-правлении, приближаясь в восточной части материка к Индийскому океану.

Водоразделы между периферийными областями и областями внутреннего стока называются внутренними водоразделами. Линии на земной поверхности, разделяющие области суши, сток с которых направлен в различные океаны или моря, называются во-доразделами океанов и морей. Водоразделы, отделяющие части суши, сток с которых на-правлен в те или иные речные системы, называют речными водоразделами или водораз-делами речных бассейнов.

В горных районах водоразделы обычно хорошо выражены и проходят по верши-нам горных хребтов. На равнинах водоразделы нередко выражены неясно и определить их точно бывает трудно.

Примерами неясно выраженных водоразделов являются водораздел между север-ной и южной покатостями Русской равнины, проходящий по плоскому и сильно заболо-ченному плато (Северные Увалы), водоразделы между нижним течением Волги и Урала, между Амударьей и Сырдарьей в их низовьях.

Реки собирают воды не только с поверхности земли, но и из верхних слоев лито-сферы (подземные воды). В соответствии с этим различают поверхностные и подземные водоразделы. Поверхностные и подземные водоразделы не всегда совпадают.

Речной бассейн. Водосбор

Часть земной поверхности, включающая в себя данную речную систему и отде-ленная от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном этой сис-темы. Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, называется во-досбором или водосборной площадью бассейна. В большинстве случаев площади бассейна реки и водосбора совпадают. Но иногда водосборная площадь бывает меньше площади бассейна. Это наблюдается в тех случаях, когда внутри бассейна имеются либо площади внутреннего стока, либо площади, с которых стока не происходит вовсе. Пло-щадь бассейна Оби, например, больше площади ее водосбора, так как включает области внутреннего стока между Обью и Иртышом, между Иртышом и Ишимом и между Иши-мом и Тоболом, сток с которых не попадает в Обь.

Речные бассейны отличаются друг от друга размерами и формой. Основной мор-фометрической характеристикой речного бассейна является его площадь, выражаемая обычно в квадратных километрах.

Бассейны рек нередко отличаются значительной асимметрией, что имеет большое значение для формирования водного режима реки. При асимметрии бассейна в главную реку будет поступать при прочих равных условиях различное количество воды с правой и левой частей водосбора. Характеристикой асимметрии бассейна служит коэффициент асимметрии Ка, определяемый по формуле

где fл — площадь левобережной и fпр — площадь правобережной части бассей-на; F — площадь всего речного бассейна.

Многие природные свойства различных областей, в том числе и речных бассей-нов, меняются с высотой местности. Хорошо известна, например, вертикальная пояс-ность климатических условий в горах. Вот почему большое значение имеют высотные характеристики речных бассейнов. Пользуясь гипсометрической картой, можно получить одну из существеннейших характеристик речного бассейна — его среднюю высоту. Ее можно определить по гипсографической кривой, представляющей собой графическое изображение распределения площадей бассейна (в %) по высотным поясам. Высота, со-ответствующая 50% площади бассейна, и является его средней высотой.

В ряде случаев большой интерес представляет средний уклон бассейна iср, кото-рый может быть вычислен по формуле

где h—разность отметок соседних горизонталей на гипсометрической карте; l0, l1, l2, ..., ln — длины горизонталей в пределах бассейна; F — площадь бассейна.

На земном шаре распространены реки с самыми разнообразными по величине площадями бассейнов и различной протяженностью.

Физико-географические характеристики речных бассейнов

К числу физико-географических характеристик речных бассейнов относится пре-жде всего их географическое положение, которое дается в виде географических коорди-нат крайних точек бассейна (крайние западные и восточные, крайние южные и северные точки).

Для суждения о ряде гидрологических свойств бассейна (питание рек, формиро-вание режима стока) важно знать климатические условия бассейна, рельеф местности, геологическое строение, характер почвенного и растительного покрова, а также иметь данные о наличии и характере озер, болот, ледников. Из климатических элементов при изучении их влияния на гидрологический режим, в частности режим стока, выделяются атмосферные осадки (их количество, распределение, интенсивность дождей), снежный покров (мощность и запас воды в нем), температура и недостаток насыщения влагой воз-духа, радиационный баланс. Количественные характеристики всех перечисленных кли-матических элементов определяются методами, принятыми в климатологии и излагае-мыми в соответствующих курсах.

Для оценки влияния на сток рек, озер, болот, залесенности речных бассейнов час-то пользуются коэффициентами озерности Коз, заболоченности Кб, лесистости Кл. Эти коэффициенты выражают либо в виде дроби, либо в виде процентного отношения соот-ветствующих площадей ко всей площади бассейна.

Исток, верхнее, среднее и нижнее течение, устье

Истоком называется место на земной поверхности, где русло реки приобретает отчетливо выраженные очертания и где в нем наблюдается течение. Река может образо-ваться из слияния двух рек. Тогда за начало реки принимается место слияния этих рек.

Нередко на равнинах реки берут начало из болота. Иногда из одного болота выте-кают ручьи и речки, принадлежащие к разным речным системам. Например, из Пинских болот с одной стороны вытекают притоки Днепра, а с другой — притоки Вислы.

Многие реки вытекают из озер, и в этом случае исток реки выражен вполне отчет-ливо (Нева, Свирь, Ангара и др.). Иногда, сравнительно редко, из одного озера вытекают две реки, принадлежащие к различным системам. Это наблюдается в том случае, если озеро расположено на высокогорном плато, на водораздельном пространстве. Примером может служить безымянное озеро на Тянь-Шане, из которого вытекают две реки: одна, впадающая в р. Джууку, — приток оз. Иссык-Куль, другая — приток р. Арабель, впадающей в р. Кумтар (бассейн Нарына).

Иногда ручьи и речки берут начало из родников. В горных районах, там, где раз-вито оледенение, многие реки вытекают из ледников. Таковы, например, р. Зеравшан, вытекающая мощным потоком из Зеравшанского ледника, Кумтар в истоках Нарына — из ледника Петрова, Сельдара — из ледника Федченко, на Кавказе — притоки Терека, Кубани и др.

Течение рек можно разделить на три части, имеющие обычно более или менее общие черты для разных рек: верхнее, среднее и нижнее течение. В верхнем течении ре-ка обычно отличается большими уклонами и в соответствии с этим большими скоростя-ми. В этой части течения река, как правило, энергично размывает свое русло. В средней и нижней частях течения уклоны водной поверхности и скорости течения уменьшаются, эрозионная деятельность потока ослабевает. В средней части река проносит транзитом продукты размыва, принесенные сверху. В нижнем течении происходит по преимущест-ву аккумуляция продуктов размыва, поступивших из верхних частей речного бассейна. Иногда на отдельных участках река под влиянием особенностей рельефа теряет указан-ные черты, характерные для верхнего, среднего и нижнего течения.

Место, где река впадает в другую реку, озеро или море, называется устьем реки. Иногда вследствие затрат на испарение и отчасти фильтрацию в грунт, слагающий русло, реки заканчиваются «слепыми устьями». Так называются участки, где такие реки прекращают свое течение. В результате разбора воды на орошение многие реки (Зеравшан, Ангрен в Средней Азии) заканчиваются в нижнем течении рядом ирригационных кана-лов, веерообразно расходящихся в разные стороны.

Речная долина и русло реки

Реки обычно текут в узких вытянутых пониженных формах рельефа, характери-зующихся общим наклоном своего ложа от одного конца к другому и называемых доли-нами. Элементами речной долины являются: дно, или ложе, долины, тальвег, русло реки, пойма, склоны долины, террасы и бровка. Дно, или ложе, долины — наиболее понижен-ная часть ее. Тальвег — непрерывная извилистая линия, соединяющая наиболее глубокие точки дна долины. Дно долины в продольном направлении пересекается речным руслом, представляющим собой эрозионный врез, образованный водным потоком. Часть дна до-лины, заливаемая высокими речными водами, называется поймой. Склоны долины редко бывают ровными. На них часто образуются располагающиеся уступами на некоторой высоте над тальвегом более или менее горизонтальные площадки, называемые речными террасами. Пойма представляет собой нижнюю террасу. Линия сопряжения склонов до-лины с поверхностью прилегающей местности называется бровкой. Строение речных до-лин, их форма, размеры оказывают большое влияние на ряд гидрологических процессов, происходящих в них, на свойства реки и особенности ее режима. Большая или меньшая крутизна склонов долины способствует ускорению или замедлению стока поверхност-ных вод с них в русло реки, усилению или ослаблению процессов размыва поверхности склонов долины, а следовательно, и поступлению продуктов размыва в речное русло. Мощные аллювиальные отложения, скопившиеся в долинах рек, являются вместилищем грунтовых вод и тем самым оказывают влияние на питание рек грунтовыми водами.

Рис. 62. Схематический поперечный профиль речной долины (а) и живое сечение потока (б).

Размеры речной поймы имеют существенное значение для уровенного и расход-ного режима рек. В период высоких вод поймы задерживают большое количество воды с тем, чтобы позднее отдать их реке (при понижении уровней), являясь, таким образом, естественным регулятором водного режима рек. На пойме в период высоких вод проис-ходит накопление речных наносов.

Размеры и форма русла сильно меняются по длине реки в зависимости от ее вод-ности, строения долины, характера пород, слагающих русло.

Морфологические особенности русла могут быть охарактеризованы при помощи плана русла с нанесенными на нем изобатами, или горизонталями, и поперечного профи-ля русла. Сечение русла вертикальной плоскостью, перпендикулярной направлению те-чения, называется водным сечением потока. Часть площади водного сечения, где наблю-даются скорости течения, называется площадью живого сечения. Та же часть площади водного сечения, где течение практически отсутствует, называется площадью мертвого пространства.

Элементами водного сечения являются его площадь w, смоченный периметр Р, представляющий собой длину линии, ограничивающей смоченную часть водного сече-ния, гидравлический paдиус R=w/P, ширина русла В, максимальная глубина hMакс и средняя глубина hcp=w/B. В пределах точности вычислений гидравлический радиус можно приравнять средней глубине.

Элементы водного сечения не остаются постоянными. Величины их находятся в прямой зависимости от уровня воды в реке.

Продольный профиль рек

Продольный профиль реки характеризуется продольным профилем русла и про-дольным профилем водной поверхности. Разность высот АЯ двух каких-либо точек вод-ной поверхности по длине реки называется падением. Отношение величины падения к длине данного участка l называется уклоном I реки. Таким образом, I= H/l. Падение вы-ражается обычно в метрах, уклон же представляет собой величину безразмерную и вы-ражается в виде десятичной дроби или в промилле (в тысячных долях длины участка). Так, при падении 2 м на расстоянии 5 км уклон равен 2/5000 = 0,0004, или 0,4%о.

Продольные профили русел отдельных рек различаются в зависимости главным образом от уклона долины, свойств пород и грунтов, слагающих русло. По характеру распределения падений и уклонов по длине реки выделяют четыре основных типа про-дольных профилей рек.

1. Профиль равновесия, имеющий вид вогнутой кривой, более крутой в исто-ках реки и пологой ближе к устью. Этот тип характерен для большинства рек.

2. Прямолинейный профиль, характеризующийся более или менее равномер-ным распределением падений и уклонов подлине реки. Подобное очертание профиля имеют часто малые реки равнин.

3. Сбросовый профиль, имеющий вид параболической кривой с малым паде-нием в верхней части и большим в нижней части реки.

4. Ступенчатый профиль, отличающийся чередованием участков с малым и сосредоточенным падением, иногда в виде отвесных уступов.

Участки рек с сосредоточенным падением и бурным течением, приуроченные к местам выходов на поверхность трудноразмываемых пород, носят название порогов. Па-дение воды с отвесного уступа называется водопадом. Ступенчатый продольный профиль с многочисленными порогами и водопадами свойствен горным рекам.

Рис. 63. Относительные профили рек. 1 — профиль равновесия, 2 — прямолиней-ный, 3 — сбросовый, 4 — ступенчатый.

Изломы в профиле и ступенчатый его характер наблюдаются и у равнинных рек. Так, например, река Поной (Кольский полуостров) в нижнем течении прорезает твердые коренные породы и на протяжении 50 км образует 11 порогов.

Если рассматривать продольный профиль реки более детально, то оказывается, что на отдельных участках он представляет собой кривую сложного вида. При этом про-дольный профиль дна реки меняется относительно мало, продольный же профиль водной поверхности претерпевает изменения в связи с изменением водности реки в периоды по-ловодья и дождевых паводков.

РЕЧНОЙ СТОК

(по и др.)

Основные характеристики стока

Для количественной оценки стока рек применяются следующие его ха-рактеристики.

Объем стока W м3 или км3 — количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ за промежуток времени Т суток,

где Q — средний расход в м3/с за время Т суток; 86400 — число секунд в сутках.

Модуль стока М л/(с*км2) — количество воды, стекающей с единицы площади в единицу времени,

где F — водосборная площадь в км2.

Слой стока Y — слой воды в миллиметрах, равномерно распределенной по площади F и стекающей с водосбора за некоторый промежуток времени Т суток,

Слой стока за год в миллиметрах:

Коэффициент стока  — отношение величины слоя стока с данной площади за некоторый промежуток времени к величине слоя атмосферных осадков, выпадающих на эту площадь за тот же промежуток времени, т. е.

 = Y/X, 0 ≤  ≤ 1.

Коэффициент стока — величина безразмерная.

Формирование стока рек

Сток образуется в результате выпадения дождей или таяния снега и льда в горах. В обоих случаях часть воды, поступившей на поверхность зем-ли, затрачивается прежде всего на заполнение отрицательных форм микро-рельефа (углублений) и на впитывание в почву. Только после заполнения от-дельных углублений и притом после того момента, как интенсивность дождя или таяния снега и льда станет превосходить интенсивность инфильтрации, возникает сток.

Вода стекает по поверхности земли обычно не сплошным слоем, а в виде отдельных тонких струй или ручейков, которые сливаются вместе, до-ходят до русел сначала временных водотоков, а потом образуют постоянные потоки, несущие свои воды в сформировавшемся русле. Сток, происходящий по поверхности земли, называется поверхностным или склоновым стоком. Сток, происходящий по русловой сети водосбора, называется русловым или речным стоком. Поверхностный сток не отождествляется с понятием поверх-ностные воды. К поверхностным водам относятся воды рек, озер, водохрани-лищ.

Во многих местах, как, например, в лесной зоне, поверхностный сток, как правило, невелик, а иногда и отсутствует вовсе. Большая часть дождевых и снеговых вод стекает иными путями. Просачиваясь через почву, эти воды пополняют запасы почвенных и грунтовых вод и попадают в речную сеть подземными путями в виде почвенно-грунтового стока из зоны аэрации и собственно грунтового из более глубоких водоносных горизонтов. В связи с этим выделяется почвенный (подповерхностный) сток и подземный (грунтовой) сток. Речной сток является суммарным поверхностным и подземным стоком.

Суммарный речной сток путем расчленения гидрографа делят на две составляющие: на поверхностный (паводочный) и подземный сток. Послед-ний является наиболее устойчивым.

В различных ландшафтных зонах и внутри зон соотношения между по-верхностным и подземным стоком неодинаковы, что создает специфические особенности режима речного стока и его распределения по территории.

Сток представляет собой сложный природный процесс, обусловленный влиянием комплекса физико-географических факторов и хозяйственной дея-тельности.

Основными факторами стока, определяющими его развитие, являются климатические. На общем фоне воздействия климата на формирование стока и его величину проявляется влияние других, неклиматических факторов. Влияние их тем заметнее, чем меньше размеры бассейна и чем короче пери-од, за который рассматривается это влияние.

Климат воздействует на сток не только непосредственно, но и через другие природные факторы: почву, растительность, рельеф.

Рис. 90. Схема взаимосвязи речного стока с основными физико-географическими факторами (по ).

1 — важные воздействия, 2 — второстепенные воздействия.

Все эти факторы находятся в постоянном взаимодействии.

Действие различных природных факторов проявляется по-разному. Одни из них способствуют стеканию атмосферных осадков по земной по-верхности, другие замедляют сток или вовсе исключают возможность его об-разования. Одним факторам, а также их взаимодействию между собой при-надлежит главная роль в процессе формирования речного стока, другим — второстепенная (рис. 90).

Понятие о норме стока

Сток рек меняется из года в год. В этих колебаниях нет строгой зако-номерности. Вместе с тем величина годового стока колеблется около некото-рой средней величины, причем амплитуда таких колебаний неодинакова в различных физико-географических районах. Ряд величин годового стока можно рассматривать как ряд «случайных» величин. В математической ста-тистике ряд, образованный случайными величинами, называется вариацион-ным рядом. Одной из основных характеристик вариационного ряда является

норма — средняя арифметическая величина (F), вычисляемая по формуле

где ΣYi — сумма членов вариационного ряда; п — число его членов.

Предполагается, что норма стока представляет собой устойчивую ве-личину, т. е. средняя арифметическая величина, вычисленная

Рис. 95. Колебания увлажненности Евразии и Северной Америки (по ).

за достаточно длительный период, остается постоянной независимо от при-бавления новых членов к вариационному ряду. Понятие об устойчивости нормы стока является не совсем верным. Климатические факторы на боль-ших пространствах не остаются неизменными в течение длительных перио-дов, не только доисторических, но и исторических. Имеется ряд свидетельств изменений климата, которые, естественно, вызывают изменения величин стока. На рис. 95 показаны колебания увлажненности Евразии и Северной Америки, полученные по геологическим и историче-ским данным за длительный период времени. Эти колебания носят циклический характер с длительностью циклов около 1800 лет; влажные циклы сме-няются засушливыми и на смену последним вновь приходят влажные. Поми-мо циклических колебаний стока, вызванных циклическими же колебаниями климатических факторов, изменения стока вызываются хозяйственной дея-тельностью человека. Эти изменения косят обычно односторонне направлен-ный характер. Учитывая циклические колебания стока, принято считать нор-мой годового стока среднюю арифметическую его величину, вычисленную за длительный период, включающий не менее двух полных циклов колебаний стока. Цикл состоит из двух фаз водности — многоводной и маловодной. Для установления периода вычисления нормы стока в практике гидрологических расчетов используется так называемая разностная интегральная кривая, дающая наглядное представление о циклах колебаний стока в пределах пе-риода гидрометрических наблюдении (рис. 96)

Колебания годового стока рек и его распределение в году

Колебания годового стока рек происходят под влиянием метеорологических факторов. Характер этого влияния меняется в зависимости от ландшафтных условий. Колебания годового стока рек можно охарактеризо-вать либо изменчивостью его в отдельные годы, либо путем анализа колеба-ний в хронологической последовательности.

Для характеристики изменчивости годового стока в практике гидроло-гических расчетов широко применяются методы математической статистики, в частности кривые распределения и обеспеченности. Кривые обеспеченно-сти позволяют определить величину стока различной заданной обеспеченно-сти (P%) или повторяемости (в среднем 1 раз в N лет) без указания срока на-ступления расчетных величин. По материалам наблюдений строятся эмпири-ческие кривые обеспеченности (рис. 99). Эмпирическая обеспеченность рас-ходов (Р%) определяется по формуле

Распределение стока в течение года (по сезонам, месяцам, декадам) от-ражает характерные особенности водного режима реки и зависит, следова-тельно, от источников питания и изменения соотношений элементов водного баланса в течение года. Выражается внутригодовое распределение стока обычно в долях или в процентах от величины годового стока.

Соотношения между элементами водного баланса в течение года не ос-таются постоянными, в связи с чем в климатических условияхСССР начиная с осени в речных бассейнах происходит накопление запасов влаги, а с весны — расходование ее. В соответствии с этим при изучении водного режима рек иногда пользуются не календарным, а гидрологическим годом, понимая под ним годовой период, включающий годовой цикл накопления и расходования влаги. За начало гидрологического года в северных районах обычно прини-мают сентябрь, в южных — октябрь—ноябрь. К этому сроку переходящие из года в год запасы влаги (±U) в виде почвенно-грунтовых вод, а также запасы воды на поверхности бассейна (в озерах, болотах) наименьшие.

Большое регулирующее влияние на распределение стока в течение года оказывают озера и водохранилища. Озера накапливают воду в период повы-шенного стока и отдают накопленные воды в последующий период. Регули-рующая роль озера зависит от его размеров, морфологии, запасов воды в нем, условий истечения воды из него и положения озера в бассейне реки. Обычно чем больше площадь озера по сравнению с собственным водосбором реки, вытекающей из него, тем больше регулирующая роль озера. Это отчетливо прослеживается на стоке р. Невы, вытекающей из оз. Ладожского, р. Свири, берущей начало из Онежского озера, р. Роны, регулируемой Женевским озе-ром. Однако регулирующая роль озера заметно снижается в засушливых рай-онах под влиянием больших потерь на испарение.

Круговорот воды

Чрезвычайно важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаи-модействуя с литосферой, атмосферой и биосферой, связывает воедино все части гидро-сферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную воду.

Движущие силы круговорота воды - тепловая энергия и сила тяжести. Под влияни-ем тепла происходят испарение, конденсация водяных паров и другие процессы, а под влиянием силы тяжести - падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Часто эти две причины действуют совместно: например, на атмосферную циркуляцию влияют как тепловые процессы, так и сила тяжести. В круговороте воды вы-деляются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое, материковое, вклю-чающее литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйствен-ное. Каждое из этих звеньев играет в круговороте свою особую роль.

Ни одно из перечисленных звеньев круговорота воды не представляет собой замк-нутой системы. Замкнутая, но, учитывая процессы диссоциации молекул воды и диссипа-ции атомов водорода в космос, не вполне строго, система круговорота воды относится лишь к земному шару в целом. Вместе с тем в практической работе принимается условно замкнутым водный баланс, например, для отдельных речных бассейнов или озер.

Развитие представлений о водном балансе Земли

Я не претендую на исчерпывающую полноту этого обзора и вижу его цель в том, чтобы осветить пути, которыми наука постепенно пришла к современным представлениям о водном балансе Земли, поскольку исторический анализ позволяет оценить уровень со-временных представлений по проблеме, дает возможность лучше ощутить прогресс, дос-тигнутый по данному разделу гидрологии.

Довольно полное представление об истории исследований водного баланса Земли можно получить из весьма обстоятельного обзора (1967), а также из све-дений по этим вопросам, приведенных в некоторых моих работах (например, Львович, 1945; Lvovich, 1971). В табл. 8 помещены сведения об известных расчетах речного стока как элемента, водного баланса Земли.

Всю историю расчетов мирового речного стока можно разделить на три периода.

1. До начала последней трети прошлого века, когда определения речного стока но-сили чисто оценочный характер и не исходили из каких-либо конкретных данных. Из из-вестных таких оценок можно упомянуть оценку, сделанную К. Джонсоном.

2. Последняя треть прошлого столетия - первая треть текущего, характеризующаяся довольно субъективными оценочны,- ми данными для большей части суши, не изученной в гидрологическом отношении, В результате выводы о мировом речном стоке колебались в больших пределах - от 192 до 320 мм.